针对有限元模型难以模拟大量弹丸群集撞击的喷丸过程,使用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)耦合有限元法(Finite Element Method,FEM)模拟喷丸强化过程.工件采用FEM建模,弹丸流采用SPH建模,通过接触算法实现SPH...针对有限元模型难以模拟大量弹丸群集撞击的喷丸过程,使用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)耦合有限元法(Finite Element Method,FEM)模拟喷丸强化过程.工件采用FEM建模,弹丸流采用SPH建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟弹丸对工件的强化作用.采用随机算法建立了包含丸粒和空气两类SPH粒子形成的弹丸流模型,推导了两者的状态方程.研究了弹丸速度、喷丸时间等对喷丸残余应力的影响及工件表面各典型位置处的残余应力分布.结果表明:最大残余压应力值及深度随喷丸速度的增加而增加;达到一定喷丸时间后,继续增加作用时间,则残余应力变化甚微,其变化幅度小于10%,达到喷丸饱和状态;处于撞击中心处的残余应力值最大.展开更多
CO_(2) drilling is a promising underbalance drilling technology with great advantages,such as lower cutting force,intense cooling and excellent lubrication.However,in the underbalance drilling,the mechanism of the cou...CO_(2) drilling is a promising underbalance drilling technology with great advantages,such as lower cutting force,intense cooling and excellent lubrication.However,in the underbalance drilling,the mechanism of the coupling CO_(2) jet and polycrystalline-diamond-compact(PDC)cutter are still unclear.Whereby,we established a coupled smoothed particle hydrodynamics/finite element method(SPH/FEM)model to simulate the composite rock-breaking of high-pressure CO_(2) jet&PDC cutter.Combined with the experimental research results,the mechanism of composite rock-breaking is studied from the perspectives of rock stress field,cutting force and jet field.The results show that the composite rock-breaking can effectively relieve the influence of vibration and shock on PDC cutter.Meanwhile,the high-pressure CO_(2) jet has a positive effect on carrying rock debris,which can effectively reduce the temperature rising and the thermal wear of the PDC cutter.In addition,the effects of CO_(2) jet parameters on composite rock-breaking were studied,such as jet impact velocity,nozzle diameter,jet injection angle and impact distance.The studies show that when the impact velocity of the CO_(2) jet is greater than 250 m/s,the CO_(2) jet could quickly break the rock.It is found that the optimal range of nozzle diameter is 1.5–2.5 mm,the best injection angle of CO_(2) jet is 60,the optimal impact distance is 10 times the nozzle diameter.The above studies could provide theoretical supports and technical guidance for composite rock-breaking,which is useful for the CO_(2) underbalance drilling and drill bit design.展开更多
高位滑坡对建筑集群的冲击破坏时常导致严重的人员伤亡,基于光滑粒子流体动力学-离散元法-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-discrete element method-finite element method,SPH-DEM-FEM)耦合的数值模型,开展了高位滑坡对框...高位滑坡对建筑集群的冲击破坏时常导致严重的人员伤亡,基于光滑粒子流体动力学-离散元法-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-discrete element method-finite element method,SPH-DEM-FEM)耦合的数值模型,开展了高位滑坡对框架结构建筑群的冲击过程、建筑结构破坏机理、冲击力时程与框架柱关键点应力和弯矩等动力机制研究。研究结果表明:SPH-DEM-FEM耦合数值方法能够有效地模拟碎石土滑坡中土(SPH)石(DEM)混合物的抛射弹跳、爬高绕流冲击运动过程。考虑了常规建筑垂直、平行于滑坡流向的三排建筑组合布局,位于滑坡近端的纵向排列建筑表现为连续性倾倒破坏,横向排列的建筑则呈现整体倾倒破坏;因前排建筑群对滑坡冲击能量的耗散及滑坡自身摩擦耗能,位于滑坡后端建筑表现为引流面墙体和前排柱发生局部破坏,结构保持稳定,损毁程度依次为上游无建筑缓冲耗能的建筑>有横向排列的建筑>有纵向排列的建筑;纵向、横向排列的建筑冲击力衰减幅度分别31%、21%。横向框架建筑整体倾倒的损毁机制表现为框架柱的直接剪断或节点塑形铰链失效;纵向框架建筑连续性倾倒的损毁机制表现为前排框架柱的失效引起后排框架柱轴向压力和极限弯矩增加,持续冲击荷载超过其极限弯矩致使后排框架柱发生弯曲破坏,最终结构倾倒。系统能量在动能、内能和摩擦耗能间转化,其中摩擦耗能占65.5%,结构耗能占23.6%,动能快速下降与内能急剧增加是建筑破坏的关键特征。展开更多
泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相...泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用;在与相关模型试验结果验证的基础上,开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析;研究结果表明:随着泥石流初始速度的增加,冲击力峰值会随之增大;前排基础的冲击力峰值均大于后排基础;泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。与稀性泥石流相比:黏性泥石流冲击基础后,基础下游真空区相对要小;此外,将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现:Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势,最大预测误差低于30%,铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。展开更多
针对飞机典型部位在遭到高速破片攻击后结构整体的战伤状态及破片的剩余行为开展数值模拟。应用LS-DYNA软件,结合有限单元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)两者的优势,建立...针对飞机典型部位在遭到高速破片攻击后结构整体的战伤状态及破片的剩余行为开展数值模拟。应用LS-DYNA软件,结合有限单元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)两者的优势,建立自适应的FEM-SPH耦合模拟方法,并构建2种飞机典型部位的计算模型,采用六面体网格局部细化方法实现了核心位置的精确模拟,并进行试验来验证数值模型;开展了一系列高速冲击战伤模拟,对比了不同工况下破片高速冲击结构后形成的碎片云和破口形貌,并对破片的剩余速度和质量进行分析,确定了破片在结构蒙皮上的临界跳飞角。结果表明:自适应FEM-SPH耦合算法的计算结果与试验结果吻合良好,能够对破片高速冲击战伤进行有效准确模拟;碎片云分布形状随破片速度增加变得狭长,冲击角度会改变碎片云和结构破口形状朝向;碎片云高度和扩散速度随破片速度或角度的变化趋势基本一致并都呈线性关系;破片的速度减少量不随初始速度变化,质量减少量则与冲击速度正相关,两者与冲击角度都负相关;破片临界跳飞角与冲击速度大小基本呈线性关系。展开更多
文摘针对有限元模型难以模拟大量弹丸群集撞击的喷丸过程,使用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)耦合有限元法(Finite Element Method,FEM)模拟喷丸强化过程.工件采用FEM建模,弹丸流采用SPH建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟弹丸对工件的强化作用.采用随机算法建立了包含丸粒和空气两类SPH粒子形成的弹丸流模型,推导了两者的状态方程.研究了弹丸速度、喷丸时间等对喷丸残余应力的影响及工件表面各典型位置处的残余应力分布.结果表明:最大残余压应力值及深度随喷丸速度的增加而增加;达到一定喷丸时间后,继续增加作用时间,则残余应力变化甚微,其变化幅度小于10%,达到喷丸饱和状态;处于撞击中心处的残余应力值最大.
基金This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.52004236)Sichuan Science and Technology Program(No.2021JDRC0114)+4 种基金the Starting Project of Southwest Petroleum University(No.2019QHZ009)the China Postdoctoral Science Foundation(No.2020M673285)the Open Project Program of Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment(Jilin University)Ministry of Education(No.202005009KF)the Chinese Scholarship Council(CSC)funding(No.202008515107).
文摘CO_(2) drilling is a promising underbalance drilling technology with great advantages,such as lower cutting force,intense cooling and excellent lubrication.However,in the underbalance drilling,the mechanism of the coupling CO_(2) jet and polycrystalline-diamond-compact(PDC)cutter are still unclear.Whereby,we established a coupled smoothed particle hydrodynamics/finite element method(SPH/FEM)model to simulate the composite rock-breaking of high-pressure CO_(2) jet&PDC cutter.Combined with the experimental research results,the mechanism of composite rock-breaking is studied from the perspectives of rock stress field,cutting force and jet field.The results show that the composite rock-breaking can effectively relieve the influence of vibration and shock on PDC cutter.Meanwhile,the high-pressure CO_(2) jet has a positive effect on carrying rock debris,which can effectively reduce the temperature rising and the thermal wear of the PDC cutter.In addition,the effects of CO_(2) jet parameters on composite rock-breaking were studied,such as jet impact velocity,nozzle diameter,jet injection angle and impact distance.The studies show that when the impact velocity of the CO_(2) jet is greater than 250 m/s,the CO_(2) jet could quickly break the rock.It is found that the optimal range of nozzle diameter is 1.5–2.5 mm,the best injection angle of CO_(2) jet is 60,the optimal impact distance is 10 times the nozzle diameter.The above studies could provide theoretical supports and technical guidance for composite rock-breaking,which is useful for the CO_(2) underbalance drilling and drill bit design.
文摘高位滑坡对建筑集群的冲击破坏时常导致严重的人员伤亡,基于光滑粒子流体动力学-离散元法-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-discrete element method-finite element method,SPH-DEM-FEM)耦合的数值模型,开展了高位滑坡对框架结构建筑群的冲击过程、建筑结构破坏机理、冲击力时程与框架柱关键点应力和弯矩等动力机制研究。研究结果表明:SPH-DEM-FEM耦合数值方法能够有效地模拟碎石土滑坡中土(SPH)石(DEM)混合物的抛射弹跳、爬高绕流冲击运动过程。考虑了常规建筑垂直、平行于滑坡流向的三排建筑组合布局,位于滑坡近端的纵向排列建筑表现为连续性倾倒破坏,横向排列的建筑则呈现整体倾倒破坏;因前排建筑群对滑坡冲击能量的耗散及滑坡自身摩擦耗能,位于滑坡后端建筑表现为引流面墙体和前排柱发生局部破坏,结构保持稳定,损毁程度依次为上游无建筑缓冲耗能的建筑>有横向排列的建筑>有纵向排列的建筑;纵向、横向排列的建筑冲击力衰减幅度分别31%、21%。横向框架建筑整体倾倒的损毁机制表现为框架柱的直接剪断或节点塑形铰链失效;纵向框架建筑连续性倾倒的损毁机制表现为前排框架柱的失效引起后排框架柱轴向压力和极限弯矩增加,持续冲击荷载超过其极限弯矩致使后排框架柱发生弯曲破坏,最终结构倾倒。系统能量在动能、内能和摩擦耗能间转化,其中摩擦耗能占65.5%,结构耗能占23.6%,动能快速下降与内能急剧增加是建筑破坏的关键特征。
文摘泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用;在与相关模型试验结果验证的基础上,开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析;研究结果表明:随着泥石流初始速度的增加,冲击力峰值会随之增大;前排基础的冲击力峰值均大于后排基础;泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。与稀性泥石流相比:黏性泥石流冲击基础后,基础下游真空区相对要小;此外,将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现:Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势,最大预测误差低于30%,铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。
文摘针对飞机典型部位在遭到高速破片攻击后结构整体的战伤状态及破片的剩余行为开展数值模拟。应用LS-DYNA软件,结合有限单元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)两者的优势,建立自适应的FEM-SPH耦合模拟方法,并构建2种飞机典型部位的计算模型,采用六面体网格局部细化方法实现了核心位置的精确模拟,并进行试验来验证数值模型;开展了一系列高速冲击战伤模拟,对比了不同工况下破片高速冲击结构后形成的碎片云和破口形貌,并对破片的剩余速度和质量进行分析,确定了破片在结构蒙皮上的临界跳飞角。结果表明:自适应FEM-SPH耦合算法的计算结果与试验结果吻合良好,能够对破片高速冲击战伤进行有效准确模拟;碎片云分布形状随破片速度增加变得狭长,冲击角度会改变碎片云和结构破口形状朝向;碎片云高度和扩散速度随破片速度或角度的变化趋势基本一致并都呈线性关系;破片的速度减少量不随初始速度变化,质量减少量则与冲击速度正相关,两者与冲击角度都负相关;破片临界跳飞角与冲击速度大小基本呈线性关系。
